차세대고속열차 종합계측시스템 최적화 방안 연구
A Study on Optimization of the Overall Measurement System for
HEMU-400X
이영엽† 류상현* 이진종** 김경택***
Young-Yeob Lee Sang-Hyun Ryu Jin-Jong Lee Kyung-Taek Kim
ABSTRACT
In Korea, high-speed train(HEMU-400X) system with distributed power is being developed, and the highest test speed of this train is 400km/h. This developed the first high-speed train as a distributed power train in Korea, as well as for the development of train system and evaluation system included evaluation technology is needed. Accordingly, a comprehensive and efficient OMS(Overall Measurement System) was build up for verifying the performance of HEMU-400X.
By the case study of the G7 and TTX, OMS of HEMU-400X was improved the test performance and maintainability. In particular, the existing Window-based systems has a limit to the control, due to this reason OMS applying enhanced RT(Real-time) system.
In this study, compare the advantages and disadvantages of RT systems with Window-based systems, as well as the configuration of the RT systems.
1. 서론 차세대고속열차 종합계측시스템 구축은 국내 최초로 개발되는 동력분산식 차세대고속열차의 성능을 평가하기 위해 필요한 수단으로써 고속열차시스템 및 구성품 등의 안전성 및 신뢰성 등의 종합적인 검 증과 향후 실제 운행에 있어서의 위험요소감소를 목적으로 한다.[1] 종합계측시스템은 열차의 성능평가시험을 위해 구성되는 여러 계측장치의 총체적 표현으로써 각 차량 마다 계측되는 데이터를 수집하는 차량계측장치, 팬터그래프의 접촉력 및 양력 등의 계측을 위한 팬터 계측장치, 각 계측장치에서 계측되어지는 상황을 현시하기 위한 모니터링장치 이외에도 통신계측장치, 영상장치, 중앙제어장치, 전원제어장치 및 윤중, 횡압 계측을 위한 차륜/궤도 작용력 계측장치로 구성된 다. 이와 같이, 종합계측시스템을 구성하는 계측장치들이 다수인만큼 실제운용에 있어서 각 계측장치들 의 동기화 및 제어기능을 효과적으로 제어 할 수 있는 방안마련이 필요할 것이라 판단된다. 과거 한국형고속열차(G7) 및 한국형틸팅열차(TTX)의 계측시스템은 윈도우기반 시스템으로 제어하는 방식이 적용되어 운용되었다. 운용상에 큰 무리는 없었지만 제어기능의 한계가 있었기 때문에 차세대고 속열차의 종합계측시스템은 보다 제어기능이 강화된 RT시스템을 적용하도록 하였다. 이에 본 연구를 통해 기존 윈도우기반 시스템에서 RT시스템 적용에 따른 효과적인 측면과 시스템 구성에 대해 살펴본 다. † 교신저자, 정회원, 한국철도공사 연구원 E-mail : [email protected] TEL : (042)615-4665 FAX : (02)361-8542 * 정회원, 한국철도공사 연구원 ** 비회원, 현대오토에버 임베디드소프트웨어센터 *** 비회원, 한국생산기술연구원, 에코공정연구부
2. 본론 2.1 차세대고속열차 종합계측시스템 구성 종합계측시스템은 차세대고속열차개발과 더불어 개발되어야 할 중요한 요소로서 차량시스템 및 부품 의 성능과 안전성, 신뢰성을 종합적이고 효율적으로 평가하기 위해 필요하다.[2] 차세대고속열차의 종합 계측시스템은 그림 1과 같이 각 차량에서 계측되는 시그널을 측정하기 위한 차량계측장치, 팬터계측장 치, 영상장치, 모니터링장치, 중앙제어장치, 전원제어장치, 통신계측장치, 차륜/궤도 작용력 계측장치로 구성된다. 아울러 모든 차량에서 측정되는 시그널을 모니터링하고 시스템을 감시 및 제어할 수 있도록 M2차량에 종합계측실을 구성하였다.[3] 그림 1 종합계측시스템 구성도 각 차량에 설치되는 차량계측장치는 임베디드 리얼타임 프로세스를 탑재한 독립시스템으로 구축되며 중앙제어시스템과 TCP/IP통신을 통한 데이터 통신이 이루어진다. 그림 2 차량별 계측장치 구성도
리얼타임 임베디드 시스템은 National Instruments사의 PXI 임베디드 컨트롤러와 그래픽기반의 프로 그램 언어인 LabVIEW RT로 구성된다.
표 1 임베디드 리얼타임 컨트롤러 사양 임베디드 컨트롤러 PXI-8110 RT 운영시스템 리얼타임 프로그램 LabVIEW RT 프로세서 코어 쿼드 코어 CPU 클럭 주파수 2.26G㎐ 메모리 2GB 하드드라이브 300GB 워치독/트리거 SMB 지원 RT시스템 방식은 쿼드 코어 프로세스 탑재한 임베디드 컨트롤러를 사용하여 많은 양의 계측데이터를 실시간으로 저장하고 실시간 모니터링을 위해 멀티코어로 각종 태스크를 분산한다. 아울러 워치독 및 트리거기능을 사용하여 동기시그널을 효과적으로 제어하고 분산되어있는 계측장치들과의 동기화가 가능 하다. PXI컨트롤러에 탑재된 하드드라이버의 용량은 300GB로써 본선시운전 시 최대 6시간동안 계측데이터 저장을 할 수 있도록 하였고 임베디드 컨트롤러는 리소스 관리, 루프 우선순위 관리 등을 통해 측정 및 저장 등의 부분에 최적화 되도록 하였다. 2.2 Real-Time 시스템의 이해 차세대고속열차의 정확한 성능평가를 위해서는 측정되는 계측데이터의 신뢰성이 가장 중요하고, 모든 시그널의 저장 시점의 위상차를 최소화 시킬 수 있는 방안이 필요하다. 기존에 사용했었던 윈도우 시스 템의 타이밍 클럭은 1K㎐를 지원하지만 리얼타임 임베디드 시스템은 1M㎐의 루프 타이밍 클럭을 지원 하며 루프 폴링시의 지터(jitter)를 최소화 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그림 3 루프타임과 지터(Jitter) 그림 3을 살펴보면 60㎳이 희망 루프 타이밍이며 그 이상 또는 이하의 루프타이밍을 지터라고 부른 다. 일반 컴퓨터에서 사용되는 윈도우 시스템은 마우스 클릭 등의 외부 리소스에 우선순위를 높이 주고 있으며, CPU는 이에 반응하게 되고 이로 인해 컨트롤 및 측정 루프에 지터를 발생시키게 된다. 이에 비 해 RT시스템은 외부 리소스의 간섭이 없으며 지터를 최소화 시킬 수 있다. 일반적으로 사용하는 윈도 우시스템과 RT시스템을 비교해 보면 운용상의 큰 차이는 없으나 리얼타임의 정밀한 타이밍 및 안정성
등의 측면을 보았을 때 RT시스템 적용이 타당할 것이라 판단된다. 표 2 윈도우 시스템과 리얼타임 시스템 비교 구 분 윈도우(Windows) 리얼타임(RT) 원격지 전원 컨트롤 - 원격지에서 전원 종료 시 윈도우 강제 종료로 시스템 안정성에 악영향 미칠 가능성 있음. - 전원 부팅 시 시스템 구동시작, 프로 그램 구동 시작 - 전원 종료 시 프로그램 및 시스템 자 동 종료 통신 방식 TCP/IP TCP/IP 리소스 할당 마우스 등 외부 디바이스에 우선순위 할당 프로그램 통한 리소스 할당만 가능 하며 외부 디바이스의 인터럽트 없음
측정 모듈 사용 API DAQmx DAQmx
주파수 분석(FFT) 지원 지원
데이터 백업 외장형 USB등 Ethernet 기반의 TCP/IP,FTP서버
타이밍 동기화 서버 없음 서버 지원 프로그래밍 LabVIEW LabVIEW RT 2.3 차세대고속열차 종합계측시스템 데이터흐름 각 차량에서 계측되는 데이터는 각 차량계측장치에 실시간으로 모든 데이터가 저장되도록 하고 모니 터링을 위해 100㎐의 데이터가 TCP/IP통신을 통해 M2차량의 모니터링장치에 전송되도록 하였다. 중앙제어장치는 각 차량의 리얼타임 시스템의 접속 여부 및 계측진행상태 등에 대해 모니터링이 가능 하도록 하였다. 통신계측장치는 M2차량의 VCU로부터 RS-485 통신을 통해 차량 속도 및 각종 차량진단 상태 등에 대해 계측 및 모니터링이 가능하도록 하였다. 팬터계측장치는 팬터그래프에서 계측되는 데이터의 저장 및 모니터링이 가능하다. 아울러 모든 계측 장치의 저장시간은 중앙제어장치에서 호출하는 동기시그널에 의해 동기화되도록 하였다. 그림 4 종합계측시스템 데이터 흐름도
팬터그래프의 계측데이터를 수집하는 cRIO-RT시스템은 리얼타임 시스템과 FPGA모듈로 구성하였으며, 전기적 절연과 무선방식으로 데이터를 전송하도록 설계하였다. 각 차량계측장치에서 저장된 데이터는 FTP서버를 통해 백업이 가능하고 백업된 데이터는 오프라인에서 기본분석 및 보조분석을 거치게 된다. 기본분석은 FFT 및 평균과 같은 일반적인 분석을 의미하고 보조 분 석은 제동 성능, 진동 분석, 소음 분석과 같은 특정 목적을 위한 분석을 의미한다. 2.4 저장 동기화시험 실제 차량에 계측시스템을 탑재하기 이전에 계측 동기화시험을 위한 Lab test를 진행하였다. 모든 차 량에 구축되는 계측시스템을 대상으로 실시하였으며, TTL 시그널 출력에 따른 동기화시그널 출력과 함 께 모든 하드웨어는 디지털 트리거(Digital Trigger)입력을 통해서 이벤트를 처리하도록 구축하였다. 그림 5 동기화시험 구성도 이상적인 환경의 동기화시험을 위해 사인파 생성기에서 사인파를 생성하여 모든 차량 계측장치의 채 널에 입력하였으며, 이를 통해서 저장시간의 위상차를 확인하도록 하였다. 표 3은 저장시작 동기화시험 결과를 나타낸 것이다. 그림 6 테스트 시그널 연결 상태
표 3 저장시작 동기화시험 결과 구 분 결 과 비 고 차량 간 동기화 TTL 동기 시그널에 의한 차량 간 동기화 이상 없음 : 1ms 이내 TC를 제외한 전 차량의 모든 모듈의 저장 시작 동기화 시험 실시 동일 모듈의 채널 동기화 Multiplex 모듈 : 1ms 이내의 위상차Simultaneous모듈 : 위상차 없음 계측시스템에 사용된 일부 모듈은 채널 별로 Analog to Digital Converter가 탑 재된 Simultaneous모듈이며, 그 이외는 하나의 AD Converter를 공유하는 Multiplex 모듈임 차량 내 모듈간 동기화 1ms 이내에서 동기화 되며, 특정 가속도 측정 모듈은 다른 모듈과 80ms 위상차이 나타냄 향후 분석 프로그램에서 가속도 측정 모듈에 대한 위상 보정 필요함 3. 결론 본 연구에서는 종합계측시스템 최적화를 위한 방안으로써 기존 윈도우기반 시스템과 RT시스템의 장․단점 비교하여 RT시스템 적용이 종합계측시스템 운용적인 측면에서 제어기능을 효율적으로 극대화 할 수 있는 방안임을 제시하였다. 아울러 실제 차량에 계측 시스템 탑재 이전에 TTL 동기화 시그널 명 령에 의한 모든 모듈의 Trigger 태스크가 잘 이루어지는 것을 확인하였다. 향후에는 윈도우기반의 기존 시스템과 RT시스템의 성능비교를 통해 종합계측시스템 운용에 있어서의 RT시스템 성능검증을 진행 할 계획이다. 후기 본 연구는 국토해양부 미래철도기술개발사업으로 수행되었습니다. 참고문헌
[1] Y.Y Lee, S.H. Ryu, J.O. Lee (2009) A Study on Overall Measurement System of HEMU, Proceeding of the KSR Conference, pp. 3095-3102.
[2] S.W. Kim, Y.J. Han, Y.G. Kim, S.I. Seo et al. (2004) A Study on Performance Test and Evaluation Technology of Tilting Vehicle, Proceeding of the KIEE Conference, pp. 272-274.
[3] Y.Y Lee, S.H Ryu, B.R Kim and K.T Kim (2011) A Study Overall Measurement System Development of HEMU-400X Performance Test, Proceeding of the KSR Conference, pp. 1118-1123
